JP3664101B2 - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法および評価方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法および評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンエピタキシャルウェーハ（以下単に「エピタキシャルウェーハ」と称す）は、例えば以下の通りにして製造される。
即ち、シリコン単結晶基板（以下単に「基板」と称す）を気相成長装置の反応容器内に載置し、水素ガスを流した状態で、１１００℃〜１２００℃まで反応容器内を昇温する（昇温工程）。反応容器内の温度が１１００℃以上になると、基板表面に形成されている自然酸化膜（ＳｉＯ2：Silicon Dioxide）が除去される。この状態で、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3：Trichlorosilane）等のシリコン原料ガス、ジボラン（Ｂ2Ｈ6：Diborane）あるいはホスフィン（ＰＨ3：Phosphine）等のドーパントガスを水素ガスとともに反応容器内に供給する。こうして基板の主表面にシリコン単結晶薄膜（以下単に「薄膜」と称す）を気相成長させる（成膜工程）。
このようにして薄膜を気相成長させた後に、原料ガスおよびドーパントガスの供給を停止し、水素雰囲気に保持したまま反応容器内の温度を降温させる（冷却工程）。
【０００３】
ところで、上述の通りにエピタキシャルウェーハを製造する過程で、その表面にＣｕ（銅）が析出すると、その析出により生成した珪素化合物が洗浄時にエッチング除去され、エピタキシャルウェーハの表面にピットを形成する場合がある。こうしてピットが形成されたエピタキシャルウェーハを用いて製造された半導体デバイスは、そのゲート酸化膜の絶縁耐圧（Gate Oxide Integrity、以下「ＧＯＩ」と称す）特性が低くなる傾向にある。
【０００４】
一方、エピタキシャルウェーハに含まれるＣｕ（銅）の量を測定する際、エピタキシャルウェーハ中に存在するＣｕの量は微量であり、従来の分析手法では、Ｃｕを分析・評価する感度が充分でない場合がある。
従来のシリコン単結晶中のＣｕの評価方法としては、例えば、ＡＡＳ（Atomic Absorption Spectroscopy：原子吸光分析）、ＩＣＰ−ＭＳ（Inductively Coupled Plasma - Mass Spectroscopy：誘導結合型プラズマ質量分析）、ＴＲＸＦ（Total Reflection X-ray Fluorescence：全反射蛍光Ｘ線分析）等により定性・定量分析する手法が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、優れたＧＯＩ特性をもつシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することであり、また、シリコンエピタキシャルウェーハに含まれるＣｕの定性・定量分析を高感度に行うためのシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、エピタキシャルウェーハのＧＯＩ特性に影響を与える条件として、エピタキシャル層成長後の冷却条件に着目した。特に、エピタキシャルウェーハを存在させる場所の雰囲気を水素雰囲気から窒素雰囲気へと切換える温度（以下「切換温度」と称する）に着目し、この切換温度を変えることによって本発明に到達した。
【０００７】
即ち、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、該シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を４００℃より高温で水素雰囲気から窒素雰囲気に切換える冷却工程と、をこの順に行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、シリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、４００℃より高温でエピタキシャルウェーハを存在させる場所の雰囲気を水素雰囲気から窒素雰囲気へ切換えることで、シリコン単結晶薄膜の表面にＣｕが析出してくることを抑制できる。これにより、シリコンエピタキシャルウェーハの表面にピットが形成されることを抑制できるとともに、優れたＧＯＩ特性をもつシリコンエピタキシャルウェーハが得られる。
なお、シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を水素雰囲気から窒素雰囲気に切換えるには、反応容器内に供給するガスを水素から窒素に切換えれば良い。あるいは、水素雰囲気に保たれている反応容器内から、シリコンエピタキシャルウェーハを、窒素雰囲気に保たれている別の容器内に移動させても良い。
【０００９】
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、該シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を４００℃以下で水素雰囲気から窒素雰囲気に切換える冷却工程と、前記シリコン単結晶薄膜の表面を除去する除去工程と、をこの順に行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、冷却工程において前記切換温度を４００℃以下とすることで、Ｃｕをシリコン単結晶薄膜の表面に積極的に析出させることができる。この後に、Ｃｕが析出したシリコン単結晶薄膜の表面を除去することで、Ｃｕの含有量が少ないシリコンエピタキシャルウェーハが得られる。
【００１１】
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法は、原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、該シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を４００℃以下で水素雰囲気から窒素雰囲気に切換えることにより前記シリコン単結晶薄膜の表面に銅を析出させる冷却工程と、前記シリコン単結晶薄膜の表面に析出させた銅を評価する評価工程と、をこの順に行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、シリコンエピタキシャルウェーハの内部に含まれるＣｕが表面に集められて高濃度になるので、ＡＡＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、ＴＲＸＦ等の分析手法を用いる場合にもＣｕを検出し易くなる。従って、シリコンエピタキシャルウェーハに含まれるＣｕを、高感度で定性・定量分析できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
以下、図１、図２を参照して、本発明の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を説明する。
先ず、気相成長装置の反応容器内に備えられたサセプタに搬送装置を用いてシリコン単結晶基板を載置する（ステップＳ１１：仕込工程）。次いで、反応容器内に水素ガスを流した状態で、反応容器内の温度をＴ１からシリコン単結晶薄膜を気相成長するための成膜温度Ｔ２まで昇温する（ステップＳ１２：昇温工程）。この成膜温度Ｔ２は基板表面の自然酸化膜を水素で除去できる１１００℃以上に設定する。次いで、反応容器内を成膜温度Ｔ２に保持したままで、水素ガスとともに原料ガスおよびドーパントガスをそれぞれ所定流量で供給し、所定膜厚となるまで薄膜を成長させる（ステップＳ１３：成膜工程）。
この後に原料ガスおよびドーパントガスの供給を停止し、反応容器内の温度を下降させて取出温度Ｔ４までシリコンエピタキシャルウェーハを冷却する（ステップＳ１４：冷却工程）。ここで、予め水素雰囲気から窒素雰囲気へと切換える切換温度Ｔ３を４００℃よりも高い温度に設定しておく。即ち、成膜温度Ｔ２から切換温度Ｔ３までは水素ガスを供給したまま水素雰囲気で冷却し（ステップＳ１４ａ）、切換温度Ｔ３に至ったら水素ガスの供給を停止して窒素ガスを供給することにより、反応容器内の雰囲気を窒素雰囲気とする（ステップＳ１４ｂ）。そして、窒素雰囲気のままで取出温度Ｔ４に至ったら気相成長装置からシリコンエピタキシャルウェーハを取り出す（ステップＳ１５：取出工程）。
こうして得られたシリコンエピタキシャルウェーハから半導体デバイスを作成することで、ＧＯＩ特性の優れた半導体デバイスを得ることができる。
【００１４】
なお、上記冷却工程（ステップＳ１４）では、シリコンエピタキシャルウェーハは同一の反応容器内で冷却されているが、この他にも、前記切換温度Ｔ３まで水素雰囲気で冷却されたシリコンエピタキシャルウェーハを、別途用意されている窒素雰囲気に取出しても良い。
【００１５】
〔第２の実施の形態〕
以下、図３を参照して、本発明の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を説明する。
第１の実施の形態と同様に、基板を反応容器内に載置し（ステップＳ２１：仕込工程）、反応容器内に水素ガスを流した状態で成膜温度まで昇温し（ステップＳ２２：昇温工程）、原料ガスおよびドーパントガスを供給して薄膜を成長させる（ステップＳ２３：成膜工程）。
そして、原料ガスおよびドーパントガスの供給を停止し、反応容器内の温度を下降させて取出温度までシリコンエピタキシャルウェーハを冷却する（ステップＳ２４：冷却工程）。ここで第１の実施の形態とは異なり、予め水素雰囲気から窒素雰囲気へと切換える切換温度を４００℃よりも低い温度に設定しておく。即ち、成膜温度から切換温度までは水素ガスを供給したまま水素雰囲気で冷却し（ステップＳ２４ａ）、４００℃以下に設定された切換温度に至ったら水素ガスの供給を停止して窒素ガスを供給する（ステップＳ２４ｂ）。これにより、シリコンエピタキシャルウェーハを取出温度に至るまで冷却していく過程で、その表面にＣｕが析出しやすくなる。
そして、窒素雰囲気のままで取出温度に至ったら、気相成長装置からシリコンエピタキシャルウェーハを取り出す（ステップＳ２５：取出工程）。次いで、Ｃｕの析出した表面近傍部分を除去する（ステップＳ２６：除去工程）。この除去工程としては、シリコンエピタキシャルウェーハの表面を研磨しても良いし、適宜なエッチング液を使用してシリコンエピタキシャルウェーハの表面をエッチングしても良い。
【００１６】
〔第３の実施の形態〕
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法を説明する。
第２の実施の形態と同様に、仕込工程（ステップＳ３１）、昇温工程（ステップＳ３２）、成膜工程（ステップＳ３３）に続いて、冷却工程において、４００℃以下に設定された切換温度に至ったら、反応容器内の雰囲気を水素雰囲気から窒素雰囲気へと切換えてシリコンエピタキシャルウェーハを取出温度まで冷却する（ステップＳ３４）。こうして取出温度に至る冷却過程で、シリコンエピタキシャルウェーハの表面にＣｕが析出しやすくなる。
次いで、気相成長装置からシリコンエピタキシャルウェーハを取り出し（ステップＳ３５：取出工程）、シリコンエピタキシャルウェーハの表面近傍に析出したＣｕを分析する（ステップＳ３６：評価工程）。ここで、表面近傍ではそのＣｕ濃度が高められているので、ＡＡＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、ＴＲＸＦ等の分析手法を用いる場合にもその分析感度を高めることができる。これによりシリコンエピタキシャルウェーハに金属不純物として含まれるＣｕの定性・定量分析を高感度で行うことができる。
【００１７】
［実施例１］
２×１０9atoms/cm2程度のＣｕ濃度を有する面方位（１００）、ｎ+形の基板上に、成膜温度１１３０℃でｎ-形の薄膜を気相成長させて冷却する過程で、反応容器内の雰囲気を５８１℃で水素雰囲気から窒素雰囲気に切り換え、約３００℃で取出してシリコンエピタキシャルウェーハを製造した。なお、図５はエピタキシャルウェーハの冷却時における温度変化を示す。この図５中では、水素雰囲気における温度変化を実線で示し、窒素雰囲気における温度変化を点線で示している。
【００１８】
［比較例１］
一方、実施例１と同様の条件で薄膜を気相成長させて冷却する過程で、その雰囲気を２９８℃で水素雰囲気から窒素雰囲気に切り換え、約２５０℃でエピタキシャルウェーハを取り出した。なお、図５に、比較例１の冷却時における温度変化を併せて示す。
【００１９】
これらエピタキシャルウェーハを用いて作成した多結晶シリコンゲートＭＯＳトランジスタのＧＯＩ特性を、ＴＤＤＢ(Time Dependent Dielectric Breakdown：経時破壊分布)特性評価、ＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown：電界破壊分布）特性評価により行う。
何れの評価でも、絶縁破壊までに要する電気量は、酸化膜に生成している欠陥が大きい程少なくなる。そこでこれらの評価では、ある計測位置での絶縁破壊を、絶縁破壊するまでに与えられた電気量に応じて、以下に示す３通りに分類している。即ち、ＴＤＤＢ特性評価では、より少ない電気量で絶縁破壊した方から、「初期破壊（αモード）」、「偶発破壊（βモード）」、「真性破壊（γモード）」と呼び、ＴＺＤＢ特性評価では、より少ない電気量で絶縁破壊した方から、Ａモード、Ｂモード、Ｃモードと呼ぶ。
従って、ＴＤＤＢ特性評価においてγモードの割合が大きい程、また、ＴＺＤＢ特性評価においてＣモードの割合が大きい程、そのエピタキシャルウェーハのＧＯＩ特性が優れていると評価される。
【００２０】
実施例１で得られたエピタキシャルウェーハを用いて作成したＭＯＳ構造のＧＯＩ特性を評価したところ、ＴＤＤＢ特性評価ではほぼ１００％がγモードとなり、ＴＺＤＢ特性評価ではほぼ１００％がＣモードであった。この結果から、実施例１では優れたＧＯＩ特性をもつエピタキシャルウェーハが得られたことが判った。
これに対し、比較例１で得られたエピタキシャルウェーハを用いて作成したＭＯＳ構造のＴＤＤＢ特性評価では、真性破壊（γモード）に達する前に、より大きな欠陥等が存在することを示す「初期破壊（αモード）不良」と「偶発破壊（βモード）不良」で全て絶縁破壊した。そしてＴＺＤＢ特性評価では、Ｃモードに達する前に、Ａモード不良およびＢモード不良により全て絶縁破壊した。
【００２１】
エピタキシャルウェーハの表面にＣｕが析出すると、このＣｕが冷却の過程で珪素化合物を生成する。そしてＳＣ−１洗浄を施すと、この珪素化合物がエッチング除去されてエピタキシャルウェーハの表面に多数の微細なピットを形成させる。そこで、実施例１のエピタキシャルウェーハ表面に形成されたピットを計測した。このピットの計測は、ＳＣ−１洗浄後のエピタキシャルウェーハ表面を光散乱式のウェーハパーティクル検査装置（以下「パーティクルカウンタ」と称す）により計測することで行った。なお、エピタキシャルウェーハ表面に形成されたピットも、パーティクルカウンタによりパーティクルとして計測される。
ここで、ＳＣ−１洗浄は、半導体製造工程において基板やエピタキシャルウェーハの洗浄に使用される手法である。ここでは、本実施例１および比較例１で得られたエピタキシャルウェーハに対して、アンモニア：過酸化水素：水の容積配合比＝１：１〜２：５〜７の洗浄液（ＳＣ−１洗浄液）により、７５〜８５℃、１００分の洗浄処理を施した。
【００２２】
この結果、実施例１のエピタキシャルウェーハではＳＣ−１洗浄後の表面にはピットが形成されなかった。
これに対し、比較例１では、ＳＣ−１洗浄後にその表面をパーティクルカウンタにより計測すると、多数の微細なピットがヘイズとして観測された。
【００２３】
さらに、実施例１および比較例１で得られたエピタキシャルウェーハ表面のＣｕ濃度の分析をＡＡＳを用いて行った。この結果、表１に示す通りに、実施例１のエピタキシャルウェーハ表面からはＣｕが検出されず、比較例１のエピタキシャルウェーハ表面からはＣｕが検出された。なお本分析における検出限界は、０．０９６×１０10atoms/cm2であり、それぞれの水準で３枚のエピタキシャルウェーハを分析した。
【表１】
［実施例２、３および比較例２］
薄膜を気相成長させた後に冷却する過程で、水素雰囲気から窒素雰囲気へ切換える温度を６００℃（実施例２）、５００℃（実施例３）としてエピタキシャルウェーハを製造した。そして実施例１と同様にＳＣ−１洗浄後の表面をパーティクルカウンタにより計測し、その表面に上記ヘイズが観測されるかを確認した。また、比較例２として、水素雰囲気から窒素雰囲気への上記切換温度を４００℃として、エピタキシャルウェーハを製造した。何れの場合においても、水素雰囲気から窒素雰囲気へ切換えた後にエピタキシャルウェーハを取り出す温度を３００℃に揃えた。
【００２５】
この結果、実施例２、３ではエピタキシャルウェーハ表面にヘイズが観測されなかった。これに対し、水素雰囲気から窒素雰囲気への切換温度を４００℃とした比較例２では、エピタキシャルウェーハ表面にヘイズが観測され、その表面に多数の微細なピットが形成されていることが判った。
【００２６】
以上から、少なくとも４００℃より高温で水素雰囲気から窒素雰囲気へと切換えると、Ｃｕがエピタキシャルウェーハの表面に析出することを抑制できるので、該エピタキシャルウェーハ表面にピットが形成することを抑制できることが判る。
【００２７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本発明で薄膜を気相成長させる気相成長装置は限定されず、縦型（パンケーキ型）、バレル型（シリンダ型）、枚葉式等の各種気相成長装置に適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法によれば、４００℃より高温で水素雰囲気から窒素雰囲気へ切換えてシリコンエピタキシャルウェーハを冷却することでピットの形成を抑制でき、ＧＯＩ特性の優れたシリコンエピタキシャルウェーハを得ることができる。
さらに、冷却工程において水素雰囲気から窒素雰囲気へ切換える温度を４００℃以下とし、その後の除去工程によりシリコン単結晶薄膜の表面を除去することで、Ｃｕの含有量が少ないシリコンエピタキシャルウェーハが得られる。
また、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法によれば、水素雰囲気から窒素雰囲気へ切換える温度を４００℃以下とすることで、シリコン単結晶薄膜の表面にＣｕが集められて高濃度になり、Ｃｕの定性・定量分析を高感度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】第１の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法において、気相成長装置内の温度を時間と共に示した図である。
【図３】本発明を適用した第２の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した第３の実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法を示すフローチャートである。
【図５】実施例１および比較例１のシリコンエピタキシャルウェーハの冷却時における温度変化を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ１３、Ｓ２３、Ｓ３３ 成膜工程
Ｓ１４、Ｓ２４、Ｓ３４ 冷却工程
Ｓ２５ 除去工程
Claims (3)
- 原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、
該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、該シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を４００℃より高温で水素雰囲気から窒素雰囲気に切換える冷却工程と、をこの順に行うことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。 - 原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、
該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、該シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を４００℃以下で水素雰囲気から窒素雰囲気に切換える冷却工程と、
前記シリコン単結晶薄膜の表面を除去する除去工程と、をこの順に行うことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。 - 原料ガスを供給しながらシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜を水素雰囲気中で気相成長させる成膜工程と、
該成膜工程により前記シリコン単結晶薄膜が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハを冷却中に、該シリコンエピタキシャルウェーハの存在雰囲気を４００℃以下で水素雰囲気から窒素雰囲気に切換えることにより前記シリコン単結晶薄膜の表面に銅を析出させる冷却工程と、
前記シリコン単結晶薄膜の表面に析出させた銅を評価する評価工程と、をこの順に行うことを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法。
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